Prečo MLCC meria nižšie ako jeho nominálna kapacita?

MLCC môže byť označený ako 10 µF, avšak LCR meter alebo samotný obvod môže ukázať značne nižšiu kapacitu. To neznamená vždy, že kondenzátor je nefunkčný, pretože tolerancia, DC bias, AC testovacie napätie, frekvencia, teplota, starnutie a typ dielektrika môžu všetky ovplyvniť hodnotu. Dôležité je aj nastavenie merania, najmä nastavenie LCR meter a kompenzácia prípravku. Tento článok vysvetľuje, prečo MLCC meria pod jeho nominálnou kapacitou a ako správne merať a hodnotiť jeho efektívnu kapacitu.

Katalóg

Obrázok 1. Význam nominálnej kapacity pre MLCC

Čo znamená nominálna kapacita pre MLCC?

Nominálna alebo referenčná kapacita MLCC je hodnota kapacity priradená komponentu, ako 100 nF, 1 µF alebo 10 µF. Je to hodnota uvedená v čísle súčiastky alebo technickom liste a slúži ako referencia pre špecifikovanú toleranciu kapacity. Murata to opisuje ako nominálnu hodnotu kondenzátora. _[2]

Nominálna kapacita je teda referenčná hodnota výrobcu. Skutočne nameraná alebo efektívna kapacita sa môže líšiť za iných podmienok, ako je vysvetlené v nasledujúcich častiach.

Tolerancia kapacity a variácia počiatočnej hodnoty

Obrázok 2. Tolerancia a variácia počiatočnej hodnoty

Tolerancia kapacity MLCC definuje, o koľko sa umožňuje líšiť jeho nameranej kapacite od nominálnej hodnoty pri testovaní za podmienok špecifikovaných výrobcom. Bežné tolerančné kódy sú J = ±5%, K = ±10% a M = ±20%, aj keď prísnejšie tolerancie ako ±1% a ±2% sú taktiež dostupné pre niektoré typy kondenzátorov. TDK tieto tolerančné kódy priamo uvádza vo svojom oficiálnom katalógu MLCC. _[3]

Napríklad 10 µF MLCC s toleranciou ±20% môže mať akceptovateľnú počiatočnú kapacitu medzi 8 µF a 12 µF. Časť 10 µF s toleranciou ±10% môže mať rozsah od 9 µF do 11 µF, zatiaľ čo ±5% umožňuje 9.5 µF až 10.5 µF.

Táto počiatočná tolerancia by mala byť oddelená od zmien spôsobených prevádzkovými podmienkami. Kondenzátor, ktorý začína pod nominálnou hodnotou kvôli svojej tolerancii, môže stratiť ďalšiu efektívnu kapacitu z DC bias, teploty, starnutia alebo rôznych meracích podmienok. Napríklad meranie 9.2 µF z nového 10 µF ±20% MLCC samo o sebe nenaznačuje problém, pretože 9.2 µF je stále v jeho povolenom počiatočnom rozsahu. Technický list tolerancie by sa preto mal skontrolovať najprv pred skúmaním iných príčin nižšej než očakávanej kapacity. _[2][3]

Ako DC bias znižuje kapacitu MLCC

DC bias je DC napätie aplikované na kondenzátor. Charakteristika DC-bias opisuje, ako sa mení efektívna kapacita, keď toto napätie vzrastá. Toto správanie vyplýva z napätím závislých dielektrických vlastností keramických materiálov s vysokou dielektrickou konštantou. Ako sa zvyšuje elektrické pole naprieč dielektrikom, jeho efektívna dielektrická konštanta môže klesnúť, čo znižuje kapacitu. _[1][4]

Typ dielektrika	Správanie pri DC-bias	Typická reakcia pri zvyšovaní DC napätia
C0G / NP0	Veľmi malý alebo prakticky žiadny	Kapacita zostáva relatívne stabilná
X5R	Prítomné	Efektívna kapacita klesá
X7R	Prítomné	Efektívna kapacita klesá
Iné typy triedy II	Zvyčajne prítomné	Zníženie závisí od dielektrika a návrhu kondenzátora

Poznámka v tabuľke: Kód dielektrika sám o sebe neukazuje presne, koľko kapacity bude stratených.

Množstvo zníženia kapacity nie je identické pre každý X5R alebo X7R MLCC. Charakteristika DC-bias závisí od konkrétneho návrhu kondenzátora, takže samotný kód dielektrika nemožno použiť na výpočet zostávajúcej kapacity. Dátové charakteristiky výrobcu pre presné číslo dielu by mali byť skontrolované pri zamýšľanom prevádzkovom napätí.

Napríklad, 10 µF X7R MLCC môže poskytnúť podstatne menej ako 10 µF, keď je použité s DC napätím na ňom. Zníženie sa často zvyšuje s rastom aplikovaného napätia, ale neexistuje univerzálne percento, ktoré by sa dalo použiť pre každý 10 µF X7R kondenzátor. Najpresnejším prístupom je skontrolovať charakteristickú krivku DC-bias výrobcu pre presné číslo dielu a prečítať si efektívnu kapacitu pri zamýšľanom prevádzkovom napätí. _[1][4]

Ako AC testovacie napätie a frekvencia merania ovplyvňujú kapacitu

LCR meter meria kapacitu pri definovanom AC testovacom napätí a frekvencii merania. Ak sa tieto nastavenia odlišujú od podmienok špecifikovaných výrobcom, nameraná hodnota sa nemusí zhodovať s kapacitou uvedenou v technickom liste. To je najmä relevantné pri porovnávaní meraní z rôznych prístrojov alebo testovacích nastavení. _[2][4][5]

TDK uvádza nasledujúce všeobecné podmienky merania kapacity pre MLCC:

Trieda MLCC / kapacita	Meracia frekvencia	AC testovacie napätie
Trieda I, ≤ 1 000 pF	1 MHz ±10%	0.5 do 5 Vrms
Trieda I, > 1 000 pF	1 kHz ±10%	0.5 do 5 Vrms
Trieda II, ≤ 10 µF	1 kHz ±10%	1.0 ±0.2 Vrms
Trieda II, > 10 µF	120 Hz ±20%	0.5 ±0.2 Vrms

Poznámka: Všeobecné usmernenie TDK používa 1 kHz ±10% pri 1.0 ±0.2 Vrms pre MLCC triedy II až do 10 µF vrátane, a 120 Hz ±20% pri 0.5 ±0.2 Vrms pre MLCC triedy II nad 10 µF. Presná špecifikácia produktu má prednosť. [5]

Impedancia kondenzátora tiež ovplyvňuje napätie dodávané prístrojom. Pre ideálny kondenzátor je veľkosť kapacitnej impedancie:

|ZC| = 1 / (2πfC)

kde f je frekvencia v hertzoch, C je kapacita vo faradoch a |ZC| je impedancia v ohmoch. Tento vzťah je priblížením pre prevádzku pod vlastnou rezonančnou frekvenciou kondenzátora a ignoruje praktické efekty ako ekvivalentný sériový odpor (ESR) a ekvivalentná sériová indukčnosť (ESL).

Napríklad, ideálny 10 µF kondenzátor pri 1 kHz má:

|ZC| ≈ 15.9 Ω

Táto relatívne nízka impedancia môže zaťažiť zdroj LCR meteru. TDK poznamenáva, že s vysokokapacitnými MLCC, nízka impedancia kondenzátora a vnútorná impedancia prístroja môžu spôsobiť, že skutočné AC napätie na kondenzátore klesne pod vybrané testovacie úroveň, čo vedie k neočakávane nízkemu meraniu kapacity.

Pri kontrole MLCC proti hodnote v technickom liste, používajte špecifikovanú frekvenciu a AC testovacie napätie a overte, že požadovaný signál skutočne dosahuje kondenzátor. _[5][6]

Účinok teploty na kapacitu MLCC

Obrázok 3. Účinok teploty na kapacitu MLCC

Kapacita MLCC sa môže meniť, keď jeho teplota stúpa alebo klesá. Výrobcovia tento jav opisujú pomocou kódu teplotnej charakteristiky, ktorý určuje povolenú zmenu kapacity v rámci špecifikovaného teplotného rozsahu. Množstvo a tvar tejto zmeny silne závisia od keramického dielektrika použitého vo vnútri kondenzátora. _[3][7]

Kód teploty	Trieda	Prevádzkový teplotný rozsah	Teplotný koeficient alebo povolená zmena kapacity
C0G	Trieda I	−55°C do +125°C	0 ±30 ppm/°C
X5R	Trieda II	−55°C do +85°C	±15%
X7R	Trieda II	−55°C do +125°C	±15%

Poznámka: Teplotné charakteristiky EIA Triedy II sú referencované na 25°C. _[7]

Rozdiel prichádza hlavne zo dielektrického materiálu. Trieda I C0G MLCCs používa keramiku s teplotnou kompenzáciou, ktorej kapacita sa mení v malej, takmer lineárnej forme s teplotou. Trieda II MLCCs používa materiály s vysokou dielektrickou konštantou založené na barititanáte, ktorého dielektrická konštanta sa mení silnejšie a nelineárne s teplotou. To umožňuje kondenzátorom Triedy II poskytovať oveľa vyššiu kapacitu v malej veľkosti, ale s nižšou teplotnou stabilitou. _[7][9]

Teplotný kód definuje maximálny povolený rozsah, nie presnú kapacitnú krivku každého kondenzátora. Dva X7R MLCC môžu obidva spĺňať špecifikáciu ±15%, pričom vykazujú rôzne krivky kapacity vo vzťahu k teplote, pretože výrobcovia používajú rôzne dielektrické formulácie a vnútorné dizajny. _[3][7]

Teplota by sa mala zohľadniť aj spolu s DC biasom. Hodnota ±15% kondenzátora X5R alebo X7R popisuje jeho teplotnú charakteristiku za stanovených štandardných podmienok. V prevádzkovom obvode môže aplikované DC napätie znížiť kapacitu súčasne, takže efektívna kapacita môže vypadnúť mimo to, čo by ste predpovedali iba z teplotného kódu. Pre presný návrh skontrolujte teplotné a DC-bias krivky výrobcu pre presné číslo dielu. _[1][2]

Starnutie a dlhodobá strata kapacity

Obrázok 4. Starnutie a dlhodobá strata kapacity

Starnutie je postupný pokles kapacity, ktorý sa vyskytuje v feroelektrických kondenzátoroch Triedy II po tom, čo keramika vychladne pod jej Curieho teplotu. TDK vysvetľuje, že starnutie je prirodzená charakteristika feroelektrických dielektrických materiálov a vyplýva zo zmien v ich kryštálovej štruktúre počas času. [8]

Pokles je približne logaritmický s časom. Výrobcovia bežne špecifikujú rýchlosť starnutia ako percento straty kapacity na desaťročie času, kde desaťročie predstavuje desatinné zvýšenie uplynulého času, ako napríklad 10 až 100 hodín alebo 100 až 1 000 hodín. [8]

Dielektrický typ	Správanie pri starnutí	Dlhodobé správanie kapacity
C0G / NP0, Trieda I	V podstate žiadne starnutie	Veľmi stabilné s časom
X5R, Trieda II	Starnutie nastáva	Kapacita postupne klesá
X7R, Trieda II	Starnutie nastáva	Kapacita postupne klesá
Iné feroelektrické typy Triedy II	Starnutie sa zvyčajne vyskytuje	Rýchlosť starnutia závisí od dielektrického systému

Poznámka k tabuľke: Rýchlosť starnutia je obvykle špecifikovaná samostatne a nemôže byť stanovená len z kódu X5R alebo X7R.

Starnutie je reverzibilné pomocou de-starnutia, ktoré nastáva, keď je dielektrikum zahriate nad jeho Curieho teplotu a feroelektrická štruktúra je resetovaná. Po tom, čo sa kondenzátor ochladí pod Curieho teplotu, starnutie sa opäť začína.

Tento princíp by nemal byť chápaný ako všeobecný pokyn na ohrev neidentifikovaného kondenzátora. Akákoľvek teplota a trvanie de-starnutia by mali pochádzať z pokynov výrobcu pre konkrétny komponent alebo dielektrický systém. Postupy, ako je uvedená tepelne spracovanie TDK, platia pre produkty a podmienky pokryté týmto usmernením a nemali by byť považované za univerzálne. _[8]

Pri meraniach kapacity môže čas od posledného kvalifikačného tepelných spracovania kondenzátora ovplyvniť výsledok. TDK to nazýva čas posledného tepla (TOLH). Starnutie by sa preto malo považovať oddelene od iných účinkov, ktoré môžu zmeniť meranú alebo efektívnu kapacitu. _[5][8]

Ako ovplyvňuje dielektrický typ stabilitu kapacity

Dielektrický typ je jedným z hlavných faktorov, ktoré určujú, ako stabilný zostáva MLCC, keď sa menia napätie, teplota, čas a podmienky merania. Keramické kondenzátory sú vo všeobecnosti rozdelené do triedy I a triedy II. Tieto triedy používajú rozdielne dielektrické materiály a preto sa v obvode správajú odlišne. _[9]

Charakteristika	C0G / NP0	X5R	X7R
Keramická trieda	Trieda I	Trieda II	Trieda II
Teplotný rozsah	Zvyčajne −55°C do +125°C alebo viac, v závislosti od dielu	−55°C do +85°C	−55°C do +125°C
Teplotná stabilita	Veľmi vysoká	±15%	±15%
DC-bias efekt	V podstate žiadny	Môže znížiť efektívnu kapacitu	Môže znížiť efektívnu kapacitu
Starnutie	V podstate žiadny	Prítomný	Prítomný
Hustota kapacitného výkonu	Nižší	Vysoký	Vysoký
Typické použitie	Časovanie, ladenie, filtrovanie, zladenie, presné obvody	Dekopplovanie, obchádzanie, vyhladzovanie	Dekopplovanie, obchádzanie, vyhladzovanie

Vyberte C0G/NP0, keď je presnosť a stabilita kapacity dôležitejšia ako dosiahnutie vysokej kapacity v malom balení. Vyberte X5R alebo X7R, keď je potrebná vyššia hustota kapacity, ale skontrolujte charakteristické údaje výrobcu, aby ste potvrdili, že kondenzátor poskytuje dostatočnú účinnú kapacitu za predpokladaných prevádzkových podmienok. X7R tiež podporuje širší teplotný rozsah ako X5R.

Pre podrobnejšie porovnanie dielektrík sa pozrite na náš sprievodca rozdiely medzi kondenzátormi C0G a X7R.

Nastavenia LCR merača a ako presne zmerať kapacitu MLCC

Aby mohol byť meraný údaj o kapacite správne porovnaný s technickým listom, zmerajte MLCC za uvedených podmienok a starostlivo kontrolujte testovaciu zostavu.

1. Identifikujte presné MPN a revíziu technického listu.

Potvrďte presné výrobné číslo a používajte platný technický list alebo špecifikáciu výrobku. Nespoliehajte sa len na všeobecné nastavenia merania MLCC.

Ak nie je číslo dielu k dispozícii, pozrite sa na ako identifikovať neoznačené MLCC predtým, ako považujete jedno meranie LCR za identifikáciu.

2. Izolujte MLCC od paralelných obvodových ciest.

Ak je kondenzátor namontovaný na PCB, iné kondenzátory alebo obvodové cesty pripojené paralelne môžu ovplyvniť meranie. Izolujte komponent, keď je potrebné zmerať individuálne MLCC.

3. Zaznamenajte teplotu a čas posledného ohrevu.

Poznamenajte teplotu kondenzátora a, pre MLCC triedy II, akýkoľvek relevantný čas posledného ohrevu (TOLH), pretože starnutie môže ovplyvniť kapacitu.

4. Vyberte špecifikovanú frekvenciu a úroveň AC testu.

Použite meraciu frekvenciu a AC napätie uvedené v špecifikácii produktu. Všeobecné podmienky TDK uvedené v sekcii 4 by sa mali používať iba v prípade, že sú aplikovateľné na konkrétny diel.

5. Vyberte vhodný režim merania Cp alebo Cs.

TDK poskytuje pravidlo, aby sa Cp používalo pre impedanciu kondenzátora nad 10 kΩ a Cs pre impedanciu pod 10 Ω. Pre impedanciu medzi týmito rozmedziami použite špecifikácie komponentov a pokyny prístroja na výber vhodného modelu ekvivalentného obvodu.

6. vykonajte OPEN a SHORT kompenzáciu na upevňovacej ploche.

Pripojte rovnaké upevnenie, testovacie vodiče alebo pinzety, ktoré budú použité pre DUT a vykonajte kompenzáciu na meracej ploche. OPEN kompenzácia opravuje nechcený paralelný admitancia, zatiaľ čo SHORT kompenzácia opravuje nechcenú sériovú impedanciu.

7. Aktivujte ALC alebo ekvivalentnú kontrolu úrovne.

Ak LCR merač poskytuje Automatickú kontrolu úrovne (ALC) alebo sledovanie úrovne, aktivujte ju, keď je to vhodné. To je obzvlášť užitočné pre kondenzátory MLCC s vysokou kapacitou a nízkou impedanciou, ktoré môžu zaťažovať zdroj merača.

8. Overte skutočné Vrms na DUT.

Nepredpokladajte, že napätie vybrané na merači je napätie, ktoré skutočne dosiahne MLCC. Skontrolujte monitor úrovne merača alebo použite vhodnú metódu merania na potvrdenie skutočného AC napätia na kondenzátore.

9. Zaznamenajte kapacitu a faktor rozptylu.

Akonáhle sú testovacie podmienky stabilné, zaznamenajte nameranú kapacitu a faktor rozptylu (DF) spolu s frekvenciou, AC napätím, ekvivalentným obvodovým režimom, teplotou a inými relevantnými podmienkami.

10 Porovnajte výsledok s uvedenou toleranciou.

Porovnajte nameranú kapacitu s nominálnou hodnotou a toleranciou komponentu za rovnakých podmienok uvedených výrobcom. Ak je meranie mimo tolerancie, najprv skontrolujte frekvenciu testu, úroveň AC, režim Cp/Cs, kompenzáciu, skutočné DUT napätie, teplotu a podmienky starnutia skôr, ako dospejete k záveru, že MLCC je chybný.

Zvážte TDK C1608X5R1A106K080AC, 10 µF ±10%, 10 V, X5R, 0603 MLCC. Aktuálna stránka produktu TDK potvrdzuje tieto hodnoty a špecifikuje maximálny faktor rozptylu 10%.

TDK tiež zverejňuje list charakteristiky s dátumom 3. január 2016 obsahujúci DC-bias krivku pre tento presný MPN. List výslovne uvádza, že jeho charakteristické údaje sa môžu meniť a online grafy charakteristík TDK sú identifikované ako referenčné údaje, nie ako garantované vlastnosti produktu. Preto by sa DC-bias krivka mala považovať za typické správanie, zatiaľ čo nominálna tolerancia kapacity a ostatné špecifikačné limity zostávajú garantovanými hodnotami za špecifikovaných meracích podmienok.

Reprodukovateľné porovnanie je možné nastaviť nasledovne:

Testovací predmet	Podmienka reprodukcie / hlásené informácie
Presný MPN	TDK C1608X5R1A106K080AC
Referencia výrobcu	TDK List charakteristiky, 3. január 2016
Meracie zariadenie	Keysight E4980A s možnosťou 001, alebo ekvivalentný presný LCR merač s funkciou DC-bias a monitorovania úrovne
Držiak	Keysight 16034E SMD držiak, vhodný pre komponenty 1,6 × 0,8 mm a kompatibilný s E4980A
Stav kalibrácie	Zaznamenajte aktuálne číslo kalibračného certifikátu a dátum kalibrácie merača. TDK nezverejňuje stav kalibrácie zariadenia použitého na svoju publikovanú krivku.
Režim ekvivalentného obvodu	Pre túto reprodukciu použite Cs-D a režim ponechajte nezmenený počas celej frekvenčnej odozvy. Pri 10 µF a 1 kHz je ideálna reaktancia približne 15,9 Ω, čo je medzi jednoduchými pravidlami pre Cp/Cs, takže Cs-D je deklarovaná testovacia voľba, nie tvrdenie o pôvodnom nastavení TDK.
Frekvencia	1 kHz ±10%, zodpovedajúce všeobecným podmienkam TDK pre triedu II MLCC až po 10 µF vrátane.
Nastavená úroveň AC	1,000 Vrms
Meraná úroveň AC	Zaznamenajte skutočné Vrms na zariadení DUT pri každom kroku biasu pomocou monitoru úrovne merača alebo vhodného voltmetra. Tu nie je uvedená žiadna nameraná hodnota, pretože nebol vykonaný žiaden nezávislý stolný test. TDK varuje, že nastavenie oscilátora a skutočné napätie na DUT sa môžu líšiť.
ALC	ZAPNUTÝ, so skutočne monitorovanou úrovňou DUT. TDK odporúča ALC alebo ekvivalentnú kontrolu úrovne pre presné meranie MLCC s vysokou kapacitou.
DC-bias prechod	Pre reprodukciu použite 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 a 10 V DC bez prekročenia limitu 10 V. Zaznamenajte skutočnú DC úroveň pri každom kroku.
Teplota	Udržujte test pri definovanej laboratórnej teplote, napríklad 25 °C, a zaznamenajte nameranú teplotu. Verejný list charakteristiky TDK neuvádza presnú teplotu použitú pre svoju DC-bias krivku.
Čas od posledného ohrievania	Zaznamenajte známy TOLH pre vzorku. Ak je neznámy, uveďte TOLH neznámy namiesto predpokladanej hodnoty. Nekurčite kondenzátor len na stanovenie nového TOLH, pokiaľ neplatí postup schválený výrobcom.
Opakované merania	Vezmite napríklad päť meraní pri každom kroku biasu po ustálení hodnoty a uchovajte všetky surové hodnoty kapacity a DF. Verejná krivka TDK neuvádza opakované merania.
Hlásené veličiny	Pri každom kroku biasu zaznamenajte kapacitu, faktor strat, skutočné AC Vrms, skutočný DC bias, teplotu a číslo merania.
Neistota merania	Uveďte neistotu vypočítanú pre aktuálne nastavenie. Nepovažujte základnú presnosť E4980A 0,05 % za celkovú neistotu merania. Zahrňte príslušnú presnosť merača, vplyv držiaka, stav kalibrácie, chybu úrovne napätia a pozorovateľnú opakovateľnosť.

Opakované merania je možné potom porovnať s publikovanou DC-bias charakteristickou krivkou TDK. Nepoužívajte presný percentuálny úbytok kapacity na základe vizuálneho odhadu grafu. Ak sú potrebné číselné hodnoty krivky, použite stiahnuteľné charakteristické údaje TDK alebo iný zdroj číselných údajov od výrobcu. Publikovaná DC-bias krivka predstavuje typické/referenčné správanie a nie je to ±10 % garantovaný limit efektívnej kapacity pod DC biasom.

Pri 0 V DC bias môže byť nameraná kapacita porovnaná so špecifikovanou toleranciou 10 µF ±10 %, za predpokladu splnenia špecifikovaných meracích podmienok. Pri nenulovom DC bias porovnajte nameraný trend s charakteristickou krivkou TDK, ale typickú DC-bias charakteristiku nechajte oddelenú od garantovanej nomiálnej tolerancie kapacity.

Ak zostane súčiastka pod toleranciou za špecifikovaných skúšobných podmienok, skontrolujte mechanizmy uvedené v Poruchové režimy MLCC.

Referencie

[1] Murata Manufacturing Co., Ltd. „Mení sa kapacitancia, keď je na keramické kondenzátory aplikované stejnosmerné napätie? Existujú nejaké body, na ktoré treba dávať pozor pri zmenách kapacitance?“

[2] Murata Manufacturing Co., Ltd. „Aký je dôvod, prečo nemožno získať menovitú hodnotu kapacitance?“

[3] TDK Corporation. „Popis čísiel katalógu TDK MLCC.“

[4] Murata Manufacturing Co., Ltd. „Napäťové charakteristiky elektrostatickej kapacitance.“

[5] TDK Corporation. „Ako správne zmerať kapacitanciu a faktor stratového výkonu?“

[6] TDK Corporation. „Ako môže merač poskytnúť iné namerané napätie, než je nastavené?“

[7] Murata Manufacturing Co., Ltd. „Aké sú teplotné charakteristiky keramických kondenzátorov?“

[8] TDK Corporation. „Čo je 'starnutie' MLCC?“

[9] Murata Manufacturing Co., Ltd. „Aký je rozdiel medzi vlastnosťami a aplikáciami vysokodielectricického typu (X5R/X6S/X7R atď.) a teplotne kompenzovaného typu (C0G/U2J atď.)?“

[10] TDK Corporation. „Čo je kompenzácia chýb merania a prečo je potrebná?“